La beauté époustouflante d’un flocon de neige témoigne des formes étonnantes que l’eau peut former sous le point de congélation.
Sous pression, la danse gracieuse du HdeuxLa molécule O se tord en quelque chose de bizarre à des températures super froides, se nouant pratiquement en nœuds pour éviter de se transformer en glace.
Des chercheurs de l’Université de Birmingham au Royaume-Uni et de la Sapienza Università di Roma en Italie ont examiné le comportement de molécules dans de l’eau liquide sous pression placée dans des conditions qui provoqueraient normalement sa cristallisation.
Sur la base d’une nouvelle méthode de modélisation du comportement de l’eau en tant que suspension de particules, ils ont identifié les principales caractéristiques de deux états liquides différents ; l’un «topologiquement complexe», lié par un simple nœud en forme de bretzel, l’autre dans une formation de plus faible densité d’anneaux plus simples.
“Ce modèle colloïdal de l’eau fournit une loupe sur l’eau moléculaire et nous permet de percer les secrets de l’eau liés à l’histoire des deux liquides”, explique le chimiste de l’Université de Birmingham, Dwaipayan Chakrabarti.
théories créé dans les années 1990 ont fait allusion aux types d’interactions moléculaires qui pourraient se produire lorsque l’eau est surfondu – refroidi à des températures inférieures à son point de congélation typique sans se solidifier.
Les scientifiques ont repoussé les limites du refroidissement de l’eau sans la transformer en un état solide pendant des années, réussissant finalement à la conserver sous une forme liquide chaotique à une température incroyablement froide de -263 degrés Celsius (-441 degrés Fahrenheit) pendant une fraction d’année. moment sans elle. transformer en glace.
Dans la mesure où des progrès ont été réalisés dans la démonstration de ces états en laboratoire, les scientifiques tentent toujours de déterminer exactement à quoi ressemblent les liquides surfondus lorsqu’ils sont privés de chaleur.
Il est clair qu’aux points critiques, les attractions polaires concurrentes entre les molécules d’eau s’élèvent au-dessus du bourdonnement thermodynamique des particules en mouvement. Sans la possibilité de se déplacer sous une forme cristalline, les molécules doivent trouver d’autres configurations confortables.
Avec autant de facteurs en jeu, les chercheurs essaient souvent de simplifier ce qu’ils peuvent et de se concentrer sur les variables importantes. Dans ce cas, regarder les « amas » d’eau comme des particules plus grosses dissoutes dans le liquide aide à mieux comprendre les transitions d’un arrangement à un autre.
Les modèles informatiques basés sur cette perspective ont mis en évidence un changement subtil entre la rupture de l’eau et une forme composée de particules qui se rapprochent sous une forme plus dense.
Fait intéressant, la forme, ou la topologie, des interactions moléculaires dans ce paysage aquatique semblait également complètement différente, les molécules s’enchevêtrant dans des réseaux complexes lorsqu’elles se rassemblaient, ou des formes beaucoup plus simples lorsqu’elles s’écartaient.
“Dans ce travail, nous proposons, pour la première fois, une vision de la transition de phase liquide-liquide basée sur des idées d’intrication de réseau”, explique Francesco Sciortino, physicien de la matière condensée à la Sapienza Università di Roma.
“Je suis sûr que ce travail inspirera de nouveaux modèles théoriques basés sur des concepts topologiques.”
Cet étrange espace de réseaux de particules entrelacées est prêt à être exploré. Bien qu’ils ne soient pas entièrement différents des longues chaînes de molécules liées de manière covalente, ces nœuds sont transitoires et échangent des membres lorsque l’environnement liquide change.
Compte tenu de ses interactions enchevêtrées, la nature de l’eau liquide trouvée dans des environnements à haute pression et à basse température devrait être assez différente de tout ce que nous trouverions à la surface de la Terre.
En savoir plus sur le comportement topologique non seulement de l’eau dans ces conditions, mais aussi d’autres liquides, pourrait nous donner un aperçu de l’activité des matériaux dans des environnements extrêmes ou difficiles à atteindre, comme les profondeurs de planètes lointaines.
“Il rêve à quel point ce serait beau si nous pouvions regarder à l’intérieur du liquide et observer la danse des molécules d’eau, la façon dont elles scintillent et la façon dont elles échangent des partenaires, restructurant le réseau de liaisons hydrogène”, explique Sciortino.
“La réalisation du modèle colloïdal pour l’eau que nous proposons peut réaliser ce rêve.”
Cette recherche a été publiée dans physique de la nature.